钙激活钾通道与心力衰竭关系的研究进展

干鹏程，毛威

（浙江中医药大学，浙江 杭州 310053）

心力衰竭是各种心脏疾病发展的终末阶段，发病率高，是目前世界上最重要的心血管疾病之一[1]。心力衰竭中心脏收缩或舒张功能障碍可引起机体组织灌注不足及静脉系统淤血，其病理生理改变主要是心室重构，表现为心肌细胞肥大、凋亡及心肌间质纤维化等。虽然对心力衰竭的发病机制和治疗研究已取得一定进展，但其预后依然不佳。近年来，钾离子通道的研究得到很多关注。钾离子通道可分为延迟整流钾通道、瞬时钾通道、钙激活钾通道、内向整流钾通道及ATP敏感性钾通道等。钙激活钾通道相对于其他几种钾通道对心血管疾病尤其对心力衰竭被越来越广范地认识。目前的研究表明，心力衰竭的发生和发展与钙激活钾通道改变密切相关，钙激活钾通道表达异常，可通过各种机制加重心室重构从而导致心力衰竭。钙激活钾通道是一种受细胞膜去极化和细胞内钙离子增高而活化的离子通道，按其电导特性可分为大电导钙激活钾通道 （Large conductance Ca2+-activated K+channel，BKCa）、中电导钙激活钾通道 （Intermediate conductance Ca2+-activated K+channel，IKCa）、小电导钙激活钾通道 （Small conductance Ca2+-activated K+channel，SKCa）。本文将分别阐述三种钙激活钾通道的基本结构以及对心力衰竭的影响。

1 三种钙激活钾通道的基本结构以及对心力衰竭的影响

1.1 大电导钙激活钾通道与心力衰竭

1.1.1 BKCa的基本结构和特点 BKCa是1981年

在牛嗜铬细胞中首次发现的，BKCa又称“KCa1.1”，是由α亚单位和β亚单位组成的四聚体结构。α亚基是一个7次跨膜蛋白，N端在细胞外，C端在细胞内，由KCNMA1基因编码。α亚基的跨膜蛋白有7个跨膜区域（S0～S6），以及位于细胞内与羧基端相连的 4个疏水性片段（S7～S10）。S1～S4形成电压感受区，S5～S6形成孔道，S7～S10组成了钙离子敏感区域，能够调节通道的钙离子依从性。β亚基（KCNMB1-4）有4个不同的基因编码，每个β亚基形成BKCa通道不同的门控特性。BKCa主要特点为对K+离子的导电作用强，对Ca2+敏感性高，电压依赖性强[2]。BKCa表达于多种细胞类型，如神经元、血管和子宫肌层平滑肌和分泌细胞。在正常生理状态下，BKCa对人体大部分细胞都能起重要的调节作用，表现出明显的生物物理、药理和功能特征。相关研究表明，BKCa在心血管系统中发挥着积极的调节作用[3]。

1.1.2 BKCa对心力衰竭的影响 Wang等[4]分别在慢性心力衰竭组及非心力衰竭组大鼠的下丘脑室旁核慢性灌注BKCa抑制剂IBTX，发现两组大鼠交感驱动指标明显升高，心力衰竭组的大鼠的交感驱动指标均高于非心力衰竭组。通过荧光定量聚合酶链反应（RT-PCR）检测大鼠下丘脑室旁核BKCa基因的表达量，发现心力衰竭组大鼠下丘脑室旁核内BKCa表达量明显低于非心力衰竭组。此外，敲减BKCa基因KCNMB4的大鼠交感指标比未敲减的大鼠更高，提示BKCa表达下调可以引起交感神经激活，且心力衰竭可导致大鼠下丘脑室旁核BKCa表达的下调和功能钝化，通过增强交感神经兴奋性，进一步激活RAAS系统加重心力衰竭。He等[5]通过体外培养人心肌成纤维细胞，发现使用特定的阻滞剂抑制BKCa后，心肌成纤维细胞在不同细胞周期中数量发生变化，在G0/G1期增多，S期细胞数量减少，并且伴随着cyclin D1和cyclin E表达的降低，提示BKCa可通过调节cyclin D1和cyclin E的表达促进心肌成纤维细胞周期进展，参与了心肌成纤维细胞增殖的调控，而心脏成纤维细胞的增殖和胶原合成是心脏纤维化的主要病理基础，并可进一步导致心室重构引起心力衰竭。此外，BKCa介导的心肌保护作用能够防止心衰的发展。已有多项实验表明，BKCa的开放可以减少心肌细胞的缺血再灌注损伤[3]。在心肌缺血再灌注时，BKCa可通过抑制线粒体内钙离子超载[6]、减少心肌细胞线粒体缺氧后活性氧的增加[7]以及增加线粒体的呼吸作用[8]等方式来减少线粒体膜通透性转换孔（mPTP）的开放，从而减少大量凋亡因子的释放，抑制心肌细胞凋亡或坏死[9]。BKCa除了通过线粒体机制保护心肌外，还可通过增加冠脉血流及较少心肌梗死面积等非线粒体活性氧调节机制介导心肌保护作用[10]。既往研究报道，BKCa的激活可减少血管平滑肌细胞电压依赖的钙离子通道的活性和钙离子内流，从而降低血管收缩。有多种途径例如血管紧张素Ⅱ（AngII）刺激血管紧张素受体2（AT2），多巴胺刺激多巴胺受体1（DAl）以及缓激肽的作用均可激活血管平滑肌细胞膜上的BKCa，使血管平滑肌肌细胞膜复极化增强，从而促进血管扩张[11]，并且还发现，通过激活BKCa也能使血栓素等一些特殊信号诱导的血管收缩作用减弱[12]。目前已有多项研究表明，BKCa的通道激活可以扩张冠状动脉，增加对心肌的血流灌注，减轻心肌梗死后的心脏症状[13-15]。

1.2 中电导钙激活钾通道与心力衰竭

1.2.1 IKCa的基本结构和特点 IKCa又称“KCa3.1”或“SK4”，其编码基因KCNN4是在1997年首次从人胰腺组织中克隆出来[16]。IKCa由4个α亚基和6个跨膜片段（S1～S6）组成，其N端和C端均位于胞内，IKCa对胞内Ca2+高度敏感，C端连着钙调蛋白，是该通道对钙敏感性调节的重要结构。IKCa广泛表达于哺乳动物的各个器官组织，由细胞内Ca2+激活，使K+外流，从而调节细胞内钙信号和细胞膜电位，参与细胞周期的调节以及细胞的增殖、迁移等[17]。

1.2.2 IKCa对心力衰竭的影响 众所周知，AngII对心力衰竭的发生发展有着不可小觑的作用。AngII可刺激多种细胞因子及炎症因子，通过激活多种细胞信号通路、诱导细胞活性氧增多等方式引起心肌细胞肥大、纤维化以及凋亡，从而发生心力衰竭。Zhao等[18]发现，使用IKCa阻滞剂TRAM-34可以缓解压力过载大鼠炎症改变引起的心肌纤维化，并且TRAM-34对炎症细胞因子的作用不仅与AngII水平降低的继发效应有关，还与直接抑制炎症细胞有关，提示IKCa在AngII通过炎症改变引起心肌纤维化的过程中有重要作用。另有证据表明，AngII结合血管紧张素受体 （AT1R）时，通过ERK1/2、p38-MAPK和PI3K/Akt信号通路激活AP-1复合体，从而上调IKCa，促使大鼠心肌成纤维细胞增殖。王丽萍等[19]通过实验说明氧化应激可能通过诱导IKCa的表达从而影响心肌纤维化。在原代培养雄性AGT-REN双转基因高血压小鼠的心肌成纤维细胞上试验，发现随着小鼠年龄的增长，心肌成纤维细胞活性氧（ROS）逐渐增多，而在使用ROS清除剂N-乙酰半胱氨酸 （NAC）后，小鼠心肌成纤维细胞上PI3K/Akt信号通路磷酸化水平、IKCa通道蛋白表达及胶原合成均明显降低。如前所述，PI3K/Akt等信号转导通路的激活可以诱导IKCa通道蛋白活性及表达上调，从而推测IKCa表达增强在AngⅡ诱导的ROS增多引起的心肌纤维化过程中也有重要的作用。另外，Ju等[20]通过测试IKCa在新生小鼠AngII刺激心肌成纤维细胞中的作用中发现，IKCa的阻断可通过AKT、ERK1/2信号通路抑制心肌梗死后成纤维细胞增殖、分化和原纤维基因的表达，从而减轻心室重构，减缓心衰的进一步发展。

1.3 小电导钙激活钾通道与心力衰竭

1.3.1 SKCa的基本结构和特点 1986年Blatz和Megleby等[21]在体外培养的大鼠骨骼肌中发现无神经支配的骨骼肌的后超极化点位是由电导较小的钙激活钾通道介导，并将这种通道命名为小电导钙激活钾通道 （SKCa），SK通道由3个基因编码，分别为 SK1、SK2、SK3（KCNNl、KCNN2、KCNN3）。 其基因产物在脑组织、周围神经系统、平滑肌、骨骼肌、心肌细胞均有表达。SKCa主要由4个α亚基和与之相连的4个钙调蛋白（CaM）亚基组成的四聚体结构构成。SKCa结构上的S4区仅有2个正电荷氨基酸残基，因此导致其对膜电位的变化相对不敏感。已有多项证据表明，SKCa通道的异常与房颤、室颤等心律失常有一定关系[22]，而近期的研究表明，SKCa与心力衰竭也存在相关性。

1.3.2 SKCa对心力衰竭的影响 SKCa表达下降时可以参与心力衰竭的形成，有研究发现，心力衰竭时大鼠的下丘脑神经分泌细胞（MNCs）兴奋性增加与SKCa通道的表达减少有关。SKCa表达障碍使下丘脑神经分泌细胞膜的后极化作用减弱，从而增加其兴奋性，并能释放大量血管升压素，进一步导致神经体液调节失衡，对心力衰竭的发生发展起到了一定作用[23]。李晓燕等[24]的实验发现，心衰大鼠中SK2明显减少；并且通过在大鼠下丘脑室旁核注射SK2腺病毒使SKCa过表达处理后，大鼠的肾交感神经兴奋性出现明显降低，推测下丘脑室旁核SK通道蛋白在心衰状态下表达降低可使SK2通道介导的中枢负性交感调节通路降低，从而增加了肾交感神经的兴奋性，激活肾素血管紧张素系统影响心衰的进展。另有研究表明，SKCa能通过改变心肌线粒体的能量代谢起到保护损伤心肌的作用，通过使用SKCa通道激活剂改善心肌缺血再灌注时的细胞代谢及功能，启动心脏药物预处理作用，从而降低细胞氧化还原状态，减少氧自由基的产生，减少心肌损伤，降低心力衰竭的发生[25]。

2 心力衰竭对钙激活钾通道的影响

钙激活钾通道表达的异常可影响心力衰竭的发生和发展，反之，心力衰竭同样可以作用于钙激活钾通道引起其结构的改变或表达异常。Wan等[26]发现，收缩性心力衰竭的小鼠肠系膜动脉血管收缩性会发生改变，推测其可能为在心衰时肠系膜血管平滑肌细胞膜上的BKCa通道上的α及β1亚单位表达减少导致；Idres等[27]发现，心力衰竭时大鼠冠状动脉上的BKCa对3型和4型磷酸二酯酶（PDE3，PDE4）抑制作用出现降低，从而使冠状动脉的舒张能力减弱。但心力衰竭引起BKCa表达变化的具体机制尚不完全明确。此外，心力衰竭时心室肌细胞膜上的SK2表达增加，推测其机制可能为心衰时Jnctophilin 2（JP2）表达减少，导致细胞膜钙通道与肌质网钙释放通道“脱耦联”，使细胞内Ca2+浓度改变引起钙调蛋白、蛋白激酶或蛋白磷酸化酶的改变，而这些物质均可以调节SK2通道的功能和表达，从而引起心肌SK2通道表达量的变化[28]。Yang等[29]在构建大鼠的容量负荷性心衰模型中发现，大鼠心肌的蛋白磷酸酯酶2A（PP2A）与酪蛋白激酶2（CK2）的失衡可以影响SK2通道的功能。

BKCa的电导特性最强，可由钙离子和膜电压激活，IKCa和SKCa的激活和失活主要是钙离子结合或释放的结果[22]。三种钙激活钾通在结构、功能及作用机制均有所不同，对心力衰竭的发生发展均具有不可忽略的作用，然而其机制复杂，涉及的内容广泛，还有很多问题有待探讨。例如，肾素血管紧张素醛固酮系统（RAAS）对心衰的发展有明确的意义，而RAAS同样对BKCa具有调节作用。RAAS激活时，肾素能够上调BKCa的表达，而AngII与AT1R结合后对BKCa反而有抑制作用，此外，醛固酮不仅能作用于肾脏上皮钠离子通道及钠钾离子泵，还能调控BKCa在内的多种钾离子通道[30]。那么，RAAS在引起心力衰竭的过程中，BKCa的变化是否起到了作用也有待进一步探讨。Thompson等[31]发现，在唾液腺腺泡细胞中的IKCa的激活可以通过阻断细胞质孔的方式抑制BKCa，而在心力衰竭的发展过程中，三种钙激活钾通道是否会相互协同或抑制进而影响心衰进程，目前未见报道。

有关钙激活钾通道的药物目前已有许多研究成果，例如，川芎嗪[32]能直接激活猪的冠状动脉平滑肌BKCa通道，从而扩张冠状动脉；John等[33]发现，SKCa的一种激活剂SKA-31可降低阻力血管的肌张力，起到抗高血压和改善动脉粥样硬化等重要作用。但是基于目前的研究，与心力衰竭明确相关的钙激活钾通道的靶点药物仍未见报道。

3 展望

随着医学技术的不断发展和对离子通道的深入研究，越来越多的疾病与离子通道的相关性被逐渐证实。钙激活钾通道在心血管方面的研究已经取得部分进展，而与心力衰竭相关的研究目前仍比较少。钙激活钾通道对心力衰竭的影响，心力衰竭时钙激活钾通道的具体变化和相关反馈调节机制还有待进一步研究。期待钙激活钾通道的研究能够进一步阐述心力衰竭的发生和发展机制，并以此为靶点研发出治疗心力衰竭的新型药物。